WO2017057386A1

WO2017057386A1 - ヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: WO2017057386A1
Application number: PCT/JP2016/078504
Authority: WO
Inventors: 奈留臼倉; 加藤　浩巳; 嶋谷　貴文
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2017-04-06

Abstract

カラークロストークの発生を抑制して、品質の高い画像を表示できるヘッドマウントディスプレイを提供する。ヘッドマウントディスプレイ１０は、画像を表示する表示パネル（表示部）１と、接眼レンズ２と、表示パネル１と接眼レンズ２との間に配置され、表示パネル１から表示面の法線方向に出射する光を接眼レンズ２に集光するフィールドレンズ３と、を備える。フィールドレンズ３と表示パネル１との間には、他の光学素子が介在していない。

Description

ヘッドマウントディスプレイ

　本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

　頭部に装着して、眼前に配置された表示パネルに表示される画像を、接眼レンズを介して視認可能なヘッドマウントディスプレイが知られている（特許文献１参照）。

特開２０００－１５２１２６号公報

　従来のヘッドマウントディスプレイでは、表示パネルの周辺部において、あるサブ画素に対応して配置されているカラーフィルタを、隣接するサブ画素からの光が通過してユーザの目に届く、いわゆるカラークロストーク（不都合な混色）が発生する場合がある。

　本発明は、カラークロストークの発生を抑制して、品質の高い画像を表示することができるヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。

　本発明の一実施形態におけるヘッドマウントディスプレイは、画像を表示する表示部と、接眼レンズと、前記表示部と前記接眼レンズとの間に配置され、前記表示部から表示面の法線方向に出射する光を前記接眼レンズに集光するフィールドレンズと、を備え、前記フィールドレンズと前記表示部との間には、他の光学素子が介在していない。

　本実施形態の開示によれば、表示部と接眼レンズとの間に、表示部の表示面の法線方向に出射する光を接眼レンズに集光するフィールドレンズを設けることによって、表示部の中心部だけでなく周辺部においても、表示部の表示面の法線方向に出射する光が接眼レンズに集光されるため、カラークロストークの発生を抑制し、全体としてコントラストが高く、色味のずれが無い画像を表示することができる。

図１は、第１の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面図である。図２は、表示パネルの周辺部において、接眼レンズに集光される光の進行方向を示す図である。図３は、第２の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面図である。図４は、第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面の断面図である。図５は、第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す上面の断面図である。図６は、第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面の断面図である。図７は、第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す上面の断面図である。図８は、リニアフレネルレンズ６２の正面図である。図９は、リニアフレネルレンズに刻まれている溝の間隔と、表示パネルの画素の間隔との関係を説明するための図である。図１０は、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面の断面図である。図１１は、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す上面の断面図である。図１２は、第６の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面の断面図である。図１３は、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイに用いられるリニアフレネルレンズの正面図である。図１４は、第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面図である。図１５は、第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す上面図である。図１６は、第８の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面図である。図１７は、第９の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す側面図である。フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズを用いている。図１８は、視野角と輝度との関係を示す図である。図１９は、フィールドレンズが無い従来のヘッドマウントディスプレイの構成を示す図である。図２０は、フィールドレンズが無い従来のヘッドマウントディスプレイの表示パネルの周辺部において、ユーザの目に届く光の進行方向を示す図である。

　本発明の一実施形態におけるヘッドマウントディスプレイは、画像を表示する表示部と、接眼レンズと、前記表示部と前記接眼レンズとの間に配置され、前記表示部から表示面の法線方向に出射する光を前記接眼レンズに集光するフィールドレンズと、を備え、前記フィールドレンズと前記表示部との間には、他の光学素子が介在していない（第１の構成）。

　第１の構成によれば、表示部と接眼レンズとの間に、表示部の表示面の法線方向に出射する光を接眼レンズに集光するフィールドレンズを設けることによって、表示部の中心部だけでなく周辺部においても、表示部の表示面の法線方向に出射する光が接眼レンズに集光されるため、カラークロストークの発生を抑制し、全体としてコントラストが高く、色味のずれが無い画像を表示することができる。また、フィールドレンズと表示部との間に、他の光学素子を設けないので、その分コストを低減することができる。

　第１の構成において、フィールドレンズは、リニアフレネルレンズとすることができる（第２の構成）。

　第２の構成によれば、フィールドレンズとして、フレネル化していないレンズを用いた場合と比べて、表示部とレンズ表面との距離が短くなるので、表示する画像に歪みやボケが生じるのを抑制することができる。

　第２の構成において、リニアフレネルレンズには、集光方向が第１方向である第１リニアフレネルレンズと、第１リニアフレネルレンズに対して表示部とは反対側に配置され、集光方向が第１方向とは異なる第２方向である第２リニアフレネルレンズが含まれるようにしても良い（第３の構成）。

　第３の構成によれば、集光方向の異なる２つのリニアフレネルレンズを用いることにより、第１方向及び第２方向の２方向に集光することができるので、例えば表示部の水平方向及び鉛直方向に集光して、全体としてコントラストが高く、色味のずれの無い画像を表示することができる。

　第３の構成において、第１方向は水平方向であり、第２方向は鉛直方向とすることができる（第４の構成）。

　第４の構成によれば、水平方向に集光する第１リニアフレネルレンズを表示部と近い位置に配置することにより、人間の目が敏感な水平方向の像ボケが生じるのを抑制することができる。

　第３または第４の構成において、前記第１リニアフレネルレンズの複数の溝の間隔は等しく、前記第２リニアフレネルレンズの複数の溝の間隔は等しくしても良い（第５の構成）。

　第５の構成によれば、モアレの発生を抑制することができる。

　第２から第５のいずれかの構成において、前記リニアフレネルレンズの溝の間隔は、前記表示部の画素の間隔の整数倍としても良い（第６の構成）。

　第６の構成によれば、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

　第２から第６の構成において、前記リニアフレネルレンズの溝の方向は、水平方向または鉛直方向に対して傾いている構成としても良い（第７の構成）。

　第７の構成によれば、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

　第１の構成において、フィールドレンズは、フレネルレンズとしても良い（第８の構成）。

　第８の構成によれば、フレネル化していないレンズを用いた場合と比べて、表示部とレンズ表面との距離が短くなるので、表示する画像に歪みやボケが生じるのを抑制することができる。

　第１の構成において、フィールドレンズは、シリンドリカルレンズとしても良い（第９の構成）。

　第９の構成において、前記シリンドリカルレンズには、集光方向が水平方向である第１シリンドリカルレンズと、前記第１シリンドリカルレンズに対して前記表示部とは反対側に配置され、集光方向が鉛直方向である第２シリンドリカルレンズが含まれる構成としても良い（第１０の構成）。

　第１０の構成によれば、水平方向に集光する第１シリンドリカルレンズを表示部と近い位置に配置することにより、人間の目が敏感な水平方向の像ボケが生じるのを抑制することができる。

　第１から第１０のいずれかの構成において、前記フィールドレンズの凸面が前記表示部と対向するように前記フィールドレンズは配置されている構成としても良い（第１１の構成）。

　第１１の構成において、前記フィールドレンズは、前記フィールドレンズよりも低い屈折率を有する樹脂を介して前記表示部に固定されている構成としても良い（第１２の構成）。

　第１２の構成によれば、想定している光路への影響を抑制しつつ、フィールドレンズを表示部に固定することができる。

　第１から第１２のいずれかの構成において、前記フィールドレンズは、前記表示部の表示面の法線方向の光が前記ヘッドマウントディスプレイを装着した状態の人の目の位置で結像する場合の焦点距離をＬ１とすると、Ｌ１×０．７以上、かつ、Ｌ１×１．３以下の焦点距離を有するようにしても良い（第１３の構成）。

　第１３の構成によれば、フィールドレンズを設けない構成と比べて、カラークロストークの発生を抑制して、品質の高い画像を表示することができる。

　第１から第１３のいずれかの構成において、前記表示部は、バックライトを備え、前記バックライトの輝度半値角は、マイナス２０度以上、かつ、プラス２０度以下である構成としても良い（第１４の構成）。

　第１４の構成によれば、低消費電力化を実現することができるとともに、迷光による表示品質の低下を抑制することができる。

　［実施の形態］
　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０の概略構成を示す側面図である。このヘッドマウントディスプレイ１０は、ユーザの頭部に装着して使用される。ヘッドマウントディスプレイ１０は、表示パネル（表示部）１と、接眼レンズ２と、フィールドレンズ３とを備える。

　表示パネル１は、例えば液晶パネルである。一例として、表示パネル１の表示サイズは６インチ（縦７５ｍｍ、横１３３ｍｍ）で画素数は３８４０×２１６０である。６インチのサイズは、両目の視野角を覆いつつ、人が装着して使用するのに支障が無いサイズである。表示パネル１が液晶パネルである場合、表示パネル１は、例えば、一対のガラス基板、液晶、カラーフィルタ、偏光フィルタ、バックライト等を備える。ただし、表示パネル１が液晶パネルに限定されることはなく、有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネル等、画像を表示する機能を有するパネルであれば良い。

　接眼レンズ２は、表示パネル１に表示される画像を拡大する機能を有する。一例として、接眼レンズ２は、屈折率が１．４８、直径が４０ｍｍで曲率半径が２５ｍｍの平凸レンズである。図１は側面図であって、接眼レンズ２を１つしか示していないが、実際には、右目及び左目のそれぞれに対応して合計で２つ設けられている。ユーザは、ヘッドマウントディスプレイを装着した状態で、接眼レンズ２を通して、表示パネル１に表示される右目用画像を右目で、左目用画像を左目で見る（サイドバイサイド方式の画像を見る）ことにより、３Ｄ画像を視認することができる。

　表示パネル１の接眼レンズ２側の表面には、フィールドレンズ３が設けられている。フィールドレンズ３は、接着剤によって、表示パネル１の表面に接着されている。すなわち、表示パネル１とフィールドレンズ３との間には、他の光学素子は介在していない。

　フィールドレンズ３と表示パネル１との接着面から、接眼レンズ２の平面（接眼レンズ２の両面のうち、フィールドレンズ３とは反対側の面）までの距離は、例えば４０ｍｍである。その場合、フィールドレンズ３の焦点距離は、例えば４５ｍｍとする。これは、接眼レンズ２のレンズ端からユーザの目の位置までの距離が５ｍｍ程度離れるためであり、フィールドレンズの焦点距離を４５ｍｍとすることにより、表示パネル１の表示面の法線方向の光が人の目に入りやすくなり、画像表示品質が最も高くなる。なお、図１では、フィールドレンズ３を１つしか示していないが、実際には、２つの接眼レンズ２に対応して２つ設けられている。

　フィールドレンズ３は、表示パネル１から、表示面の法線方向に出射する光を接眼レンズ２に集光するように設計されている。図１では、表示パネル１から、表示面の法線方向に出射する光の進行方向を破線の矢印で示している。図１に示すように、表示パネル１の表面にフィールドレンズ３を設けることにより、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光は、表示パネル１の中心だけでなく、周辺においても、接眼レンズ２に集光される。

　図２は、表示パネル１の周辺部において、接眼レンズ２に集光される光の進行方向を示す図である。表示パネル１は、ガラス基板（アクティブマトリクス基板）１１、ガラス基板１１上にマトリクス状に配置されている複数の画素電極１２、ガラス基板１１と対向するガラス基板（カラーフィルタ基板）１３、ガラス基板１３に設けられたカラーフィルタ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ、カラーフィルタ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂをそれぞれ取り囲むように格子状に配置されたブラックマトリクス１５、及びバックライト１６を少なくとも備えている。カラーフィルタ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂは、画素電極１２と対応して設けられており、例えば、カラーフィルタ１４Ｒは赤色、カラーフィルタ１４Ｇは緑色、カラーフィルタ１４Ｂは青色である。

　図２に示すように、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０によれば、表示パネル１の周辺部でも、バックライト１６から射出され、表示パネル１の表示面と垂直な方向に進む光がフィールドレンズ３を介して接眼レンズ２に集光される。

　図１９は、フィールドレンズが無い従来のヘッドマウントディスプレイの構成を示す図である。また、図２０は、フィールドレンズが無い従来のヘッドマウントディスプレイの表示パネルの周辺部において、ユーザの目に届く光の進行方向を示す図である。図１９及び図２０において、図１及び図２と対応する構成部分については、符号の後ろに「ｐ」を付している。

　フィールドレンズ３が無い従来のヘッドマウントディスプレイでは、表示パネルの周辺部の画像は、斜め方向の光に基づいているため、あるサブ画素に対応して配置されているカラーフィルタを、隣接するサブ画素からの光が通過してユーザの目に届くカラークロストークが発生する（図２０参照）。このカラークロストークは、表示パネルが高精細化されるほど、発生しやすくなる。従来のヘッドマウントディスプレイにおいてカラークロストークを抑制するためには、例えばブラックマトリクス１５ｐを太くする方法が考えられるが、ブラックマトリクス１５ｐを太くすると、開口率が低下して画質が低下する。また、表示パネルのコントラストは視野角が大きくなるほど低下するため、表示パネルの中心部と比べて、周辺部における画像のコントラストは低くなる。

　これに対して、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０によれば、フィールドレンズ３を設けることにより、表示パネル１の外側周辺部においても、表示パネル１から表示面の法線方向に出射する光が接眼レンズ２に集光されるため（図２参照）、カラークロストークの発生を抑制して、色味のずれが無い画像を表示することができる。カラークロストークの発生を抑制するためにブラックマトリクス１５を太くする必要がないので、開口率が低下することもない。また、表示パネル１の周辺部においても、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光がユーザの目に届くため、表示パネル１の中心部と同じく、表示画像のコントラストは高い。すなわち、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０によれば、全体としてコントラストが高く、色味のずれの無い高品質な画像を表示することができる。

　［第２の実施形態］
　図３は、第２の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ａの概略構成を示す側面図である。第２の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ａでは、フィールドレンズとしてフレネルレンズ３０を用いている。すなわち、表示パネル１の接眼レンズ２側の表面にフレネルレンズ３０が設けられている。なお、第１の実施形態と同様に、接眼レンズ２及びフレネルレンズ３０は、右目及び左目に対応して、合計で２つ設けられている。

　フレネルレンズ３０は、レンズの凸状表面部分を同心円状の複数の輪帯に分割して、光軸方向に直交する平面上に配置した形状をしている。図１に示すフィールドレンズ３を用いた場合、特にフィールドレンズ３の中心部において、表示パネル１とフィールドレンズ３の表面との距離が長くなるので、表示する画像に歪みやボケが生じる可能性がある。しかしながら、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ａによれば、フレネルレンズ３０を用いることにより、表示パネル１とフレネルレンズ３０の表面との距離が短くなるので、表示する画像に歪みやボケが生じるのを抑制することができ、さらに高品質な画像を表示することができる。

　［第３の実施形態］
　図４は、第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｂの概略構成を示す側面の断面図である。また、図５は、第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｂの概略構成を示す上面の断面図である。図４は、表示パネル１の水平方向における中心線で切断した場合の断面図であり、図５は、表示パネル１の鉛直方向における中心線で切断した場合の断面図である。ただし、図５では、人の目を省略している。

　第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｂでは、フィールドレンズとして集光方向の異なる２つのシリンドリカルレンズ４１、４２を用いている。図５に示すように、接眼レンズ２及びシリンドリカルレンズ４１は、右目及び左目に対応して、それぞれ２つ設けられている。シリンドリカルレンズ４２は、１つだけ設けているが、右目及び左目に対応させて２つのシリンドリカルレンズを並べて配置しても良い。

　シリンドリカルレンズ４１、４２はそれぞれ、円筒形の屈折面を有する形状であり、直線上に集光する。シリンドリカルレンズ４１は、鉛直方向の直線上に集光（水平方向に集光）するように配置されている。一方、シリンドリカルレンズ４２は、水平方向の直線上に集光（鉛直方向に集光）するように配置されている。ヘッドマウントディスプレイ１０Ｂを装着した際のユーザの目の位置を基準とすると、シリンドリカルレンズ４１は、シリンドリカルレンズ４２よりも遠い位置に配置されるため、シリンドリカルレンズ４１の焦点距離は、シリンドリカルレンズ４２の焦点距離よりも長い方が好ましい。

　本実施形態の構成においても、表示パネル１の中心部だけでなく周辺部においても、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光が接眼レンズ２に集光されるので、カラークロストークの発生を抑制して、色味のずれが無い画像を表示することができる。また、表示画像全体としてコントラストの高い高品質な画像を表示することができる。

　ここで、人間の目は、鉛直方向の像ボケより、水平方向の像ボケに敏感である。このため、図４及び図５に示すように、表示パネル１の水平方向の周辺部の光を集光するシリンドリカルレンズ４１を表示パネル１に接着し、シリンドリカルレンズ４１の表示パネル１とは反対側にシリンドリカルレンズ４２を配置する構成が好ましい。すなわち、シリンドリカルレンズ４２を表示パネル１に接着し、シリンドリカルレンズ４２の表示パネル１とは反対側にシリンドリカルレンズ４１を配置した場合には、シリンドリカルレンズ４１と表示パネル１との距離が長くなるため、水平方向の像ボケが生じる可能性があるが、シリンドリカルレンズ４１を表示パネル１に接着することにより、水平方向の像ボケが生じるのを抑制することができる。

　［第４の実施形態］
　図６は、第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｃの概略構成を示す側面の断面図である。図７は、第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｃの概略構成を示す上面の断面図である。図６は、表示パネル１の水平方向における中心線で切断した場合の断面図であり、図７は、表示パネル１の鉛直方向における中心線で切断した場合の断面図である。ただし、図７では、人の目を省略している。

　第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｃでは、フィールドレンズとして集光方向の異なる２つのリニアフレネルレンズ６１、６２を用いている。図８は、リニアフレネルレンズ６２の正面図である。図７に示すように、接眼レンズ２及びリニアフレネルレンズ６１は、右目及び左目に対応して、それぞれ２つ設けられている。リニアフレネルレンズ６２は、１つだけ設けているが、右目及び左目に対応させて２つのリニアフレネルレンズを並べて配置しても良い。

　リニアフレネルレンズ６１、６２はそれぞれ、フレネルレンズの原理をシリンドリカルレンズに応用したレンズである。リニアフレネルレンズ６１は、鉛直方向の直線上に集光（水平方向に集光）するように配置されている。一方、リニアフレネルレンズ６２は、水平方向の直線上に集光（鉛直方向に集光）するように配置されている。

　フィールドレンズとしてリニアフレネルレンズ６１、６２を用いることにより、第２の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ａと同様に、表示する画像に歪みやボケが生じるのを抑制することができるので、第３の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｂと比べて、さらに高品質な画像を表示することができる。

　ここで、フレネルレンズは円形状であるため、モアレを除去することが困難であるが、本実施形態の構成によれば、リニアフレネルレンズ６１、６２の鉛直方向及び水平方向における溝の間隔を最適化することにより、モアレの発生を抑制することができる。

　本実施形態では、鉛直方向に延びているリニアフレネルレンズ６１の溝の間隔を等間隔とし、水平方向に延びているリニアフレネルレンズ６２の溝の間隔を等間隔としている。これにより、モアレの発生を抑制することができる。

　また、第３の実施形態と同様に、表示パネル１の水平方向の周辺部の光を集光するリニアフレネルレンズ６１を表示パネル１に接着し、リニアフレネルレンズ６１の表示パネル１とは反対側にリニアフレネルレンズ６２を配置することにより、水平方向の像ボケが生じるのを抑制することができる。

　図９は、リニアフレネルレンズ６１の溝の間隔と、表示パネル１の画素の間隔との関係を説明するための図である。図９は、図７に示す上面の断面図の端部の拡大図であり、表示パネル１中のブラックマトリクス８１も示している。ブラックマトリクス８１は、表示パネル１中に、格子状に形成されている。

　リニアフレネルレンズ６１の溝の間隔Ｈ１は、隣接するブラックマトリクス８１の間隔Ｈ２、すなわち、画素の間隔の整数倍である。表示パネル１の表示面の法線方向において、リニアフレネルレンズ６１の溝は、ブラックマトリクス８１と重なる位置となるように設計されている。これにより、リニアフレネルレンズ６１の溝の部分に光は入射しないので、モアレの発生を防ぐことができる。

　同様に、リニアフレネルレンズ６２の溝の間隔は、表示パネル１の隣接するブラックマトリクス８１の間隔、すなわち、画素の間隔の整数倍である。表示パネル１の表示面の法線方向において、リニアフレネルレンズ６２の溝は、ブラックマトリクス８１と重なる位置となるように設計されている。これにより、水平方向及び鉛直方向のいずれの方向にもモアレは発生しないので、高品質な画像を表示することができる。

　［第５の実施形態］
　図１０は、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄの概略構成を示す側面の断面図である。また、図１１は、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄの概略構成を示す上面の断面図である。図１０は、表示パネル１の水平方向における中心線で切断した場合の断面図であり、図１１は、表示パネル１の鉛直方向における中心線で切断した場合の断面図である。ただし、図１１では、人の目を省略している。

　第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄでは、フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズ９１を用いている。図１０及び図１１に示すように、リニアフレネルレンズ９１は、１つだけ設けているが、右目及び左目に対応させて２つのリニアフレネルレンズを並べて配置しても良い。

　リニアフレネルレンズ９１は、水平方向の直線上に集光するように配置されている。これにより、表示パネル１の鉛直方向の周辺部において、表示パネル１の表示面と垂直な方向に出射する光は、図１０に示すように、表示パネル１の鉛直方向中心部に集光される。

　なお、第３の実施形態で説明したように、人間の目は、鉛直縦方向の像ボケより、水平方向の像ボケに敏感である。従って、水平方向の直線上に集光するリニアフレネルレンズ９１の代わりに、鉛直方向の直線上に集光（水平方向に集光）するリニアフレネルレンズを設けるようにしてもよい。この場合には、水平方向の像ボケが生じるのを抑制することができる。

　［第６の実施形態］
　図１２は、第６の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｅの概略構成を示す側面の断面図である。図１２は、表示パネル１の水平方向における中心線で切断した場合の断面図である。また、図１３は、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｅに用いられるリニアフレネルレンズ１１１の一部を拡大した正面図である。

　本実施形態においても、第５の実施形態と同様に、フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズ１１１を用いている。

　第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄに用いられているリニアフレネルレンズ９１を正面から見た場合、各溝は水平方向に延びている。しかし、本実施形態で用いられるリニアフレネルレンズ１１１の各溝は、図１３に示すように、水平方向に対して所定角度θだけ傾斜した方向に延びている。

　リニアフレネルレンズ１１１の各溝の延びる方向を、水平方向ではなく、水平方向に対して傾斜した方向とすることにより、モアレの発生が抑制されることが知られている。すなわち、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｅによれば、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄと比べて、モアレの発生を効果的に抑制することができる。

　なお、水平方向の直線上に集光するリニアフレネルレンズ１１１の代わりに、鉛直方向の直線上に集光（水平方向に集光）するリニアフレネルレンズを設ける場合には、リニアフレネルレンズの各溝の延びる方向を、鉛直方向ではなく、鉛直方向に対して傾斜した方向とすれば良い。

　また、第４の実施形態で説明したように、２つのリニアフレネルレンズを重ねて配置する場合に、一方のリニアフレネルレンズの溝の延びる方向が水平方向に対して傾斜しており、他方のリニアフレネルレンズの溝の延びる方向が鉛直方向に対して傾斜するようにしても良い。

　［第７の実施形態］
　図１４は、第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｆの概略構成を示す側面図である。また、図１５は、第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｆの概略構成を示す上面図である。ただし、図１５では、人の目を省略している。第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｆでは、フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズ１３１を用いている。

　第５の実施形態では、凸レンズ表面が表示パネル１とは反対側（接眼レンズ２側）となるように、リニアフレネルレンズ９１が配置されている。本実施形態では、凸レンズ表面が表示パネル１と対向するように、リニアフレネルレンズ１３１が配置されている。リニアフレネルレンズ１３１は、水平方向の直線上に集光するように配置されている。

　リニアフレネルレンズ１３１は、鉛直方向外側部分に固定部材１３２と接着されており、固定部材１３２を介して、表示パネル１と接着されている。ただし、リニアフレネルレンズ１３１と固定部材１３２とが接着されている位置、及び、固定部材１３２と表示パネル１とが接着されている位置は、任意の位置とすることができる。

　なお、水平方向の直線上に集光するリニアフレネルレンズ１３１の代わりに、鉛直方向の直線上に集光するリニアフレネルレンズを設けるようにしてもよい。

　また、リニアフレネルレンズの代わりにシリンドリカルレンズを用いても良い。さらに、図１４では、一方の面が凸レンズであり、他方の面は平面である平凸レンズを用いる例を示したが、両方の面が凸レンズである両凸レンズを用いても良い。

　［第８の実施形態］
　図１６は、第８の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｇの概略構成を示す側面図である。第８の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｇでは、フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズ１５１を用いている。

　第８の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｇにおいても、第７の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｆと同様に、凸レンズ表面が表示パネル１と対向するように、リニアフレネルレンズ１５１が配置されている。リニアフレネルレンズ１５１は、水平方向の直線上に集光するように配置されている。

　本実施形態では、リニアフレネルレンズ１５１は、樹脂１５２を介して表示パネル１と接着されている。樹脂１５２の屈折率は、リニアフレネルレンズ１５１の屈折率よりも低い。リニアフレネルレンズ１５１の屈折率よりも低い屈折率を有する樹脂１５２を用いてリニアフレネルレンズ１５１を接着することにより、想定している光路への影響を抑制しつつ、リニアフレネルレンズ１５１を接着することができる。

　［第９の実施形態］
　第１～第８の実施形態では、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光を接眼レンズ２に集光して、ヘッドマウントディスプレイを装着した状態のユーザの目の位置で結像するように、フィールドレンズの焦点距離が設計されている。そのような焦点距離を有するフィールドレンズを用いることが好ましいが、焦点距離はそれよりも長くても良いし、短くても良い。

　第１～第８の実施形態で用いられているフィールドレンズの焦点距離Ｌ１に対して、フィールドレンズの焦点距離が３０％より長くなると、表示パネル１の表示面の法線方向の光が接眼レンズ２内に入光されなくなることが分かった。また、フィールドレンズの焦点距離が焦点距離Ｌ１に対して３０％より短くなると、表示パネル１の表示面の法線方向の光が接眼レンズ２内に入光されなくなることが分かった。

　従って、第９の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｈでは、第１～第８の実施形態で用いられているフィールドレンズの焦点距離Ｌ１の０．７倍以上、かつ、１．３倍以下の焦点距離Ｌ２を有するフィールドレンズを用いる。すなわち、フィールドレンズの焦点距離Ｌ２は、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光がヘッドマウントディスプレイを装着した状態の人の目の位置で結像する場合の焦点距離Ｌ１に対して、Ｌ１×０．７≦Ｌ２≦Ｌ１×１．３の関係を有する。例えば、焦点距離Ｌ１が４５ｍｍの場合、本実施形態で用いるフィールドレンズの焦点距離Ｌ２は、３１．５ｍｍ≦Ｌ２≦５８．５ｍｍである。

　以下では、フィールドレンズとして、第５の実施形態と同様に、１つのリニアフレネルレンズを用いた例について説明するが、第１～第４、及び、第６～第８の実施形態で説明したようなフィールドレンズを用いた場合も同様である。

　図１７は、第９の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｈの概略構成を示す側面図である。フィールドレンズとして１つのリニアフレネルレンズ１６１を用いている。図１７では、本実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｈにおいて、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光の進行方向を太い破線で示すとともに、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄにおいて、表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光の進行方向を細い破線で示している。

　図１７では、第５の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１０Ｄで用いられているリニアフレネルレンズ９１の焦点距離Ｌ１より長い焦点距離Ｌ２を有するリニアフレネルレンズ１６１を用いた例について示している。この場合、ユーザが視認する、表示パネル１の周辺部における画像は、必ずしも表示パネル１の表示面の法線方向に出射する光に基づくものではない。しかしながら、フィールドレンズ（リニアフレネルレンズ１６１）を設けることにより、表示パネル１の表示面の法線方向に近い方向の光を接眼レンズ２に集光することができるので、カラークロストークの発生を抑制し、フィールドレンズを設けない構成と比べて、品質の高い画像を表示することができる。

　［第１０の実施形態］
　上述した第１～第９の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイでは、ヘッドマウントディスプレイを装着した状態で、ユーザの目に届く光は、表示パネル１の表示面の法線方向、もしくは表示パネル１の表示面の法線方向から少しずれた方向の光である。従って、表示パネル１のバックライトとして、フィールドレンズを設けていない従来のヘッドマウントディスプレイにおいて使用されるバックライトよりも輝度の角度依存性が狭いバックライトを使用することができる。輝度の角度依存性が狭いバックライトを使用することにより、低消費電力化を実現することができるとともに、迷光による表示品質の低下を抑制することができる。

　図１８は、視野角と輝度との関係を示す図である。図１８では、フィールドレンズを設けていない従来のヘッドマウントディスプレイにおいて使用されるバックライトの視野角と輝度との関係を破線で示し、本実施形態で使用するバックライトの視野角と輝度との関係を実線で示している。

　バックライトの照射範囲としては、接眼レンズ２の全範囲を照射できれば十分であることから、概ねプラスマイナス２０度以内の輝度半値角であることが好ましい。輝度半値角とは、視野角が０度のときに対応する輝度最高値に対して、輝度が半値になるときの視野角のことである。なお、フィールドレンズを設けていない従来のヘッドマウントディスプレイにおいて使用されるバックライトの輝度半値角は、プラスマイナス３５度程度である。

　本実施形態では、例えば、出射光の光線方向を揃えて集光する逆プリズム方式のバックライトを用いる。これにより、水平方向及び鉛直方向のうちのいずれかの方向だけではあるが、プラスマイナス２０度以内の輝度半値角度を得ることができる。また、Ｘ－ＢＥＦ（クロスベフ）方式のバックライトを用いた場合には、導光板のプリズム形状等を調整することにより、プラスマイナス２０度以内の輝度半値を得ることができる。

　以上、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

　例えば、上述した各実施形態では、様々な種類のフィールドレンズを表示パネル１の表面に接着するものとして説明したが、表示パネル１と間を空けてフィールドレンズを配置しても良い。ただし、表示パネル１とフィールドレンズとの間の距離が大きくなると、像ボケが発生しやすくなるため、フィールドレンズは、表示パネル１に近接して配置することが好ましい。

　第３の実施形態では、水平方向に集光するシリンドリカルレンズ４１を表示パネル１の表面に接着し、鉛直方向に集光するシリンドリカルレンズ４２を、シリンドリカルレンズ４１に対して表示パネル１とは反対側に配置した。しかし、鉛直方向に集光するシリンドリカルレンズ４２を表示パネル１の表面に接着し、水平方向に集光するシリンドリカルレンズ４１を、シリンドリカルレンズ４２に対して表示パネル１とは反対側に配置するようにしても良い。第４の実施形態においても同様に、鉛直方向に集光するリニアフレネルレンズ６２を、表示パネル１の表面に接着し、水平方向に集光するリニアフレネルレンズ６２を、リニアフレネルレンズ６１に対して表示パネル１とは反対側に配置するようにしても良い。

１…表示パネル、２…接眼レンズ、３…フィールドレンズ、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ…ヘッドマウントディスプレイ、３０…フレネルレンズ、４１，４２…シリンドリカルレンズ、６１，６２，９１，１１１，１３１，１６１…リニアフレネルレンズ、１３２…固定部材、１５２…樹脂

Claims

　画像を表示する表示部と、
　接眼レンズと、
　前記表示部と前記接眼レンズとの間に配置され、前記表示部から表示面の法線方向に出射する光を前記接眼レンズに集光するフィールドレンズと、
を備え、
　前記フィールドレンズと前記表示部との間には、他の光学素子が介在していない、ヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズは、リニアフレネルレンズである、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記リニアフレネルレンズには、集光方向が第１方向である第１リニアフレネルレンズと、前記第１リニアフレネルレンズに対して前記表示部とは反対側に配置され、集光方向が前記第１方向とは異なる第２方向である第２リニアフレネルレンズが含まれる、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記第１方向は水平方向であり、前記第２方向は鉛直方向である、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記第１リニアフレネルレンズの複数の溝の間隔は等しく、前記第２リニアフレネルレンズの複数の溝の間隔は等しい、請求項３または４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記リニアフレネルレンズの溝の間隔は、前記表示部の画素の間隔の整数倍である、請求項２から５のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記リニアフレネルレンズの溝の方向は、水平方向または鉛直方向に対して傾いている、請求項２から６のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズは、フレネルレンズである、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズは、シリンドリカルレンズである、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記シリンドリカルレンズには、集光方向が水平方向である第１シリンドリカルレンズと、前記第１シリンドリカルレンズに対して前記表示部とは反対側に配置され、集光方向が鉛直方向である第２シリンドリカルレンズが含まれる、請求項９に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズの凸面が前記表示部と対向するように前記フィールドレンズは配置されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズは、前記フィールドレンズよりも低い屈折率を有する樹脂を介して前記表示部に固定されている、請求項１１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フィールドレンズは、前記表示部の表示面の法線方向の光が前記ヘッドマウントディスプレイを装着した状態の人の目の位置で結像する場合の焦点距離をＬ１とすると、Ｌ１×０．７以上、かつ、Ｌ１×１．３以下の焦点距離を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記表示部は、バックライトを備え、
　前記バックライトの輝度半値角は、マイナス２０度以上、かつ、プラス２０度以下である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。